非共轭聚合物探针、双信号比率传感器、方法及应用与流程

1.本发明属于重金属离子检测技术领域，尤其涉及一种非共轭聚合物探针、双信号比率传感器、方法及应用，具体涉及一种非共轭聚合物探针、双信号比率传感器、双信号比率传感器的制备方法、双信号比率型传感器检测汞离子的方法及应用。


背景技术：

2.汞是对环境和生物具有毒性和致癌性的重金属之一，对生态安全和人类健康造成了严重威胁，离子形式的汞会在水中蓄积，并通过食物链迁移，而汞离子成为食品安全隐患主要归咎于人体摄入被污染的饮用水和水产品会导致中枢神经系统和内分泌系统的破坏。因此，监控食品中的汞离子含量是十分有意义的。
3.目前，传统检测方法包括原子荧光光谱法、冷原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、高效液相色谱法等，这些单信号输出的检测方法存在结果不稳定、背景干扰的问题，而荧光分析方法由于其成本低、操作简单，灵敏度高，实用性强，选择性好等突出特点，在重金属离子的检测方面的应用越来越广泛，但单发射传感器无法克服仪器和实验介质干扰的缺点。
4.比率荧光(ratio fluorescence,rf)分析法通过两个荧光峰的比值消除误差以提高检测的灵敏度，并且由于伴随着较为明显的荧光颜色的变化，可实现目标物的荧光直观化检测，比率荧光传感器通过测量两个波长的发射比来测定分析物的浓度。目前开发的多数比率传感器使用两种同类别信号作为输出，易受系统误差影响，需要进一步改进。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明为解决重金属汞快速准确检测的技术问题，提供一种非共轭聚合物探针、双信号比率传感器、方法及应用。
6.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案包括：
7.一种非共轭聚合物探针，包括采用巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍进行水热反应制得，所述的非共轭聚合物探针在波长505nm处具有荧光发射峰，在波长900nm处具有散射峰，所述的非共轭聚合物探针的粒径为50～70nm，所述的非共轭聚合物探针的厚度为1～2nm。
8.具体的，所述的巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍的质量比为(8～11):(2～4):(2～4)。
9.一种双信号比率传感器，所述的双信号比率传感器包括上述非共轭聚合物探针。
10.具体的，包括以下步骤：
11.首先将巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍溶于水中得到混合溶液，将该混合溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜中进行水热反应后冷却至室温，然后采用透析袋进行透析，所得液体即为非共轭聚合物探针，最后，将所述的非共轭聚合物探针加入到水中得到双信号比率传感器；
12.所述透析袋截留分子量为500～1000da；
13.所述的巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍的质量比为(8～11):(2～4):(2～4)。
14.具体的，所述的非共轭聚合物探针与水的体积比为1:(2～4)；
15.所述的水热反应温度为180～220℃，反应时间为5～8小时。
16.本发明还公开一种双信号比率型传感器检测汞离子的方法，所述的双信号比率型传感器为本发明所述的双信号比率传感器的制备方法制得的双信号比率传感器，所述检测汞离子的方法包括如下步骤：
17.步骤1：配制汞离子标准溶液；
18.步骤2：取不同体积步骤1所配制的汞离子标准溶液，分别加入到双信号比率型传感器溶液中得到不同的混合溶液，所述混合溶液的ph为7.2～7.6；
19.步骤3：在450nm激发波长下，利用荧光光谱仪测定所述不同的混合溶液的荧光光谱和散射光谱，记录荧光强度fl和散射强度sos，以散射强度sos与荧光强度fl的比值sos/fl为纵坐标，以汞离子浓度为横坐标，绘制标准曲线；
20.步骤4：在450nm激发波长下，测定待测样品溶液的荧光强度与散射强度，并计算sos/fl比值，通过标准工作曲线计算待测样品中汞离子的含量。
21.进一步的，所述的汞离子标准溶液的浓度范围为0～5
×
10
‑5mol/l，所述的非共轭聚合物探针水溶液的浓度为(1.6
×
10
‑2～1.7
×
10
‑2)g/l。
22.进一步的，所述待测样品的ph范围为6.5～7.5，反应时间为1～2分钟，反应温度为20～30℃；
23.该方法对汞离子的检测线性范围为0～50μm，最低检测限为27nm。
24.具体的，利用荧光光谱仪同时测定所述不同的混合溶液的荧光光谱和散射光谱时的激发波长为450nm，荧光发射峰位于505nm，散射峰位于900nm。
25.本发明还提供所述的双信号比率型传感器检测汞离子的方法用于检测饮用水、鱼肉和虾肉中的汞离子的应用，对汞离子的检测线性范围为0～50μm，最低检测限为27nm，所述饮用水、鱼肉或虾肉的加标回收率为90％～120％。
26.与现有技术相比，其优点与积极效果在于：
27.(1)本发明通过简便的一步水热法制备非共轭聚合物探针，所得的聚合物探针表面含有多种可与重金属汞发生作用的巯基、氨基、羧基官能团，避免了复合材料制备的复杂过程。
28.(2)本发明构建的双信号比率型传感器结合荧光与散射信号，具有波长分离大，互不干扰以及可同时收集的优点，与传统方法相比，结果更准确稳定，对汞离子的检测线性范围为0～50μm，最低检测限为27nm，所述饮用水、鱼肉或虾肉的加标回收率为90％～120％。可应用于工业用水、农业用水、生活用水、饮用水以及食品中重金属汞的检测，具有可靠、灵敏、稳定、快速和操作简单的特点。
附图说明
29.图1为实施例1的非共轭聚合物探针的表征图，图1a表示透射电子显微镜图像，图1b表示原子力显微镜图像，图1c表示非共轭聚合物探针的紫外可见吸收光谱图；
30.图2为非共轭聚合物探针红外光谱图；
31.图3为非共轭聚合物探针的xps图谱，其中，图3a表示c1s的高分辨xps图谱，图3b表示n1s的高分辨xps图谱，图3c表示o1s的高分辨xps图谱，图3d表示s2p光谱图谱；
32.图4为双信号比率传感器检测汞离子的性能图；其中，图4a为荧光分光光谱仪检测的荧光光谱和散射光谱。图4b上排实物图为荧光效果图，图4b下排实物图为其散射效果图；
33.图5为双信号比率传感器检测汞离子的光谱图和线性关系图，其中，图5a为不同汞离子浓度下的光谱图，图5b为不同汞离子浓度与sos/fl比值的线性关系图；
34.图6为本发明的制备非共轭聚合物探针及检测汞离子的原理示意图；
35.图7为双信号比率传感器检测汞离子特异性的结果图；
36.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，本发明中使用的原料、试剂均可以通过市面上购买。
38.实验仪器：透射电子显微镜(jem
‑
3010，jeol ltd.)，荧光光谱仪(fluoromax
‑
4，horiba，france)，原子力显微镜(nanoscopevatomic，bruker，germany)，紫外可见光谱仪(uv
‑
2600，tokyo，japan))，真空干燥箱(dzf
‑
6050，上海精宏实验设备有限公司)。
39.实验试剂：巯基琥珀酸(msa，阿拉丁)，硫代氨基脲(tsc，阿拉丁)，盐酸胍(gh，阿拉丁)，乙二胺四乙酸二钠盐(edta，阿拉丁)，氢氧化钠(naoh，上海国药集团化学试剂有限公司)，hg(no3)2,cucl2·
2h2o,nacl,kcl,mgcl2·
6h2o,cacl2·
2h2o,alcl3,mncl2·
4h2o,zncl2,fecl3·
6h2o,crcl3·
6h2o,cdcl2·
2.5h2o,bacl2·
2h2o,cocl2·
6h2o,nicl2·
6h2o,na2so4,na2so3,nano3,nano2,naco3,nahco3,naac
·
3h2o购自上海国药集团化学试剂有限公司(中国上海)。所有使用的试剂均为分析试剂级。超纯水(18.25mωcm)用于制备所有水溶液。
40.本发明为了解决同类别信号输出的比率传感器易受系统误差影响的问题，构建了一个双信号比率型传感器，不仅能有效地降低干扰还能在荧光光谱仪上进行同时测量。将此传感器用于汞离子的检测，对监控饮用水以及食品中重金属残留具有很重要的意义和应用价值。
41.为了获得最佳的测定性能，发明人挑选了最适合作为信号探针的纳米材料，研究了探针的最佳制备方法最佳原料配比，并确定了最优的分析条件。最终将传感器用于检测汞离子，特别是对饮用水、鱼和虾中的汞离子检测，具有可靠、灵敏、稳定、快速和操作简单的特点。
42.结合参阅图6本发明提供的双信号比率传感器的检测原理示意图。本发明的技术构思是水热合成的非共轭聚合物探针，由于尺寸小且分散均匀，具有明显的荧光特性和可忽略的散射特性。汞离子在一定条件下可以和非共轭聚合物探针表面大量的巯基、氨基和羧基结合在一起，形成hg
‑
s、hg
‑
n、hg
‑
o键，而这一过程中发生了电子转移效应，最终引起非共轭聚合物探针的荧光强度减弱。进一步地，共价结合作用下的非共轭聚合物探针聚集在一起，使其大小和形状发生改变，导致散射强度明显增强。
43.本发明荧光和共振散射光谱是两种不同的分析技术，通常分别用于定量或定性分
析。但通过巧妙的结合，可以构建一个双类别信号输出模式的比率传感器，不仅能有效地降低干扰还能在荧光光谱仪上进行同时测量。相比之下，本发明的双信号(荧光
‑
散射)比率传感器可以进一步提高结果准确性，减小环境差异带来的影响。
44.本发明的非共轭聚合物探针，是指将巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍进行水热反应制得，所述的非共轭聚合物探针在波长505nm处具有荧光发射峰，在波长900nm处具有散射峰，所述的非共轭聚合物探针的粒径为50～70nm，非共轭聚合物探针的厚度为1～2nm，其中非共轭聚合物探针可以看做是类似扁的柱体，上下表面的大小可以称作为粒径，为50～70nm，扁的柱体的高度为厚度，在1～2nm之间。
45.所述的巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍的质量比为(8～11):(2～4):(2～4)。
46.加标回收率是指在没有被测物质的样品基质中加入定量的标准物质，按样品的处理步骤分析，得到的结果与理论值的比值。
47.实施例1：非共轭聚合物探针的制备
48.遵从上述技术方案，本实施例给出一种非共轭聚合物探针，包括将巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍溶于超纯水中得到混合溶液，将该混合溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜中加热反应后冷却至室温，然后进行透析即得；
49.在制备的过程中，所用到的玻璃器皿在使用前都用王水(hno3∶hcl＝1∶3)进行彻底浸泡清洗，并用超纯水进一步冲洗后放入烘箱中干燥备用。
50.具体包括以下步骤：将巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍溶于超纯水中得到混合溶液，浓度分别为0.025g/ml、0.0075g/ml、0.0075g/ml，连续搅拌至均匀；将上述液体转移至聚四氟乙烯高压反应釜中，200℃下保持6小时，随后自然冷却至室温；得到的琥珀色液体用超纯水透析72小时，透析袋截留分子量为500
‑
1000da，以除去过量的未反应物，后得到非共轭聚合物探针。
51.对所获得的非共轭聚合物探针采用透射电子显微镜、原子力显微镜、紫外可见光谱仪、荧光光谱仪、紫外灯、红外、xps进行检测分析，检测方法均为常规操作：
52.透射电子显微镜结果：从图1a的透射电子显微镜图像中可以看出，非共轭聚合物探针是纳米级颗粒，分散性良好，粒径为50～70nm，平均粒径为62～63nm，测量为62.33nm。
53.原子力显微镜结果：图1b的原子力显微镜可以观察到非共轭聚合物探针的平面结构，发现其厚度在1～2nm之间。
54.利用紫外可见光谱仪对非共轭聚合物探针的紫外特征峰进行检测：取一定量的非共轭聚合物探针稀释液，置于两面透光的石英比色皿中，将比色皿置于紫外可见光谱仪的样品槽内，开始检测紫外可见吸收强度和波长，得到紫外可见吸收光谱。
55.紫外可见分光光度结果：从附图1c的紫外可见吸收光谱图可以观察到非共轭聚合物探针在～340nm处显示出一个宽吸收峰，这是由于c
‑
n或c＝o键的n
‑
π*跃迁引起的。
56.利用荧光光谱仪对产生的荧光信号进行检测，获得λ
ex
和λ
em
，λ
ex
是指荧光最大激发波长，λ
em
是指荧光最大发射波长。
57.操作如下：取一定量的非共轭聚合物探针稀释液，混合均匀后，置于四面通光的石英比色皿中，检测其荧光强度和波长，得到荧光激发发射光谱。荧光光谱仪参数设置激发波长为450nm。
58.荧光光谱仪检测结果：从图1c中的em曲线可以看出，非共轭聚合物探针的最大荧
光发射峰位于505nm。接着，将荧光光谱仪参数设置为发射波长505nm，得到了图1c中的ex曲线，可看出非共轭聚合物探针的最大激发波长为450nm。狭缝宽度皆为5nm。
59.ex曲线和em曲线说明本发明中的非共轭聚合物探针具有良好的荧光特性。
60.非共轭聚合物探针在紫外灯(365nm)照射下，呈现蓝绿色荧光，见图1c中插图(右)。
61.非共轭聚合物探针的红外光谱如图2所示，以揭示化学成分。3425cm
‑1和3146cm
‑1处的吸收峰与o
‑
h和n
‑
h的伸缩振动相关，表明存在含氧和含氮官能团。在1663cm
‑1和1585cm
‑1处可以观察到c＝n和c＝s的伸缩振动带。1400cm
‑1和1384cm
‑1处的特征峰分别对应c
‑
o和
‑
coo
‑
的不对称和对称伸缩振动。1236cm
‑1和1184cm
‑1是c
‑
n和c
‑
s拉伸振动的特征值。红外光谱分析表明，非共轭聚合物探针表面具有羟基、氨基、羧基和巯基等多种官能团，这些官能团有助于非共轭聚合物探针和hg
2
的相互作用。
62.通过xps测定非共轭聚合物探针的元素组成和化学状态。结果如图3所示。
63.c1s的高分辨xps图谱分为三个峰(图3a)，284.8ev、286.2ev和288.3ev处的峰对应c
‑
c、c
‑
o
‑
c和o
‑
c＝o。根据图3b，n1s在399.9ev处具有一个单峰，代表伯胺(
‑
nh2)。o1s光谱中531.1ev和532.5ev的能量峰对应c＝o和c
‑
o/o
‑
h(图3c)。此外，s2p光谱由两对2p
3/2
和2p
1/2
轨道自旋分裂峰拟合而成(图3d)，161.9和163.1ev的能量峰归因于的c
‑
s2‑
c，163.4和164.5ev特征峰表明存在
‑
sh基团。xps结果反映了在非共轭聚合物探针表面具有多种功能基团。
64.以下述实施例中使用的非共轭聚合物探针均为实施例1制备得到的。
65.实施例2
66.本实施例给出一种双信号比率传感器的制备方法，包括以下步骤：
67.首先将巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍溶于水中得到混合溶液，将该混合溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜中进行水热反应后冷却至室温，然后采用透析袋进行透析，所得液体即为非共轭聚合物探针，最后，将非共轭聚合物探针加入到水中得到双信号比率传感器；进行透析的目的去除过量的未反应物。
68.透析袋截留分子量为500～1000da；
69.巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍的质量比为(8～11):(2～4):(2～4)。
70.非共轭聚合物探针与水的体积比为1:(2～4)；
71.水热反应温度为180～220℃，反应时间为5～8小时。
72.在本实施例中，巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍的质量比为10:3:3，非共轭聚合物探针与水的体积比为1:3。
73.可以为巯基琥珀酸、硫代氨基脲和盐酸胍分别称取2g,0.6g,0.6g溶解在80ml超纯水中，连续搅拌至均匀；将上述液体转移至聚四氟乙烯高压反应釜中，200℃下，反应保持6小时，随后自然冷却至室温；得到的琥珀色液体用超纯水透析72小时，透析袋截留分子量为500
‑
1000da，以除去过量的未反应物。最后，将250μl液体的非共轭聚合物探针加入到750μl水中得到双信号比率传感器。
74.实施例3
75.本实施例给出一种双信号比率型传感器检测汞离子的方法，包括如下步骤：
76.步骤1：配制汞离子标准溶液；
77.步骤2：取不同体积步骤1所配制的汞离子标准溶液，分别加入到双信号比率型传感器溶液中得到不同的混合溶液，所述混合溶液的ph为7.2～7.6，在本实施例中ph为7.4；
78.其中，双信号比率型传感器溶液由实施例2中的将250μl非共轭聚合物探针加入到750μl水中得到。
79.步骤3：在450nm激发波长下，利用荧光光谱仪测定所述不同的混合溶液的荧光光谱和散射光谱，记录荧光强度fl和散射强度sos，以散射强度sos与荧光强度fl的比值sos/fl为纵坐标，以汞离子浓度为横坐标，绘制标准曲线；
80.步骤4：在450nm激发波长下，测定待测样品溶液的荧光强度与散射强度，并计算sos/fl比值，通过标准工作曲线计算待测样品中汞离子的含量。
81.汞离子标准溶液的浓度范围为0～5
×
10
‑5mol/l，非共轭聚合物探针水溶液的浓度为(1.6
×
10
‑2～1.7
×
10
‑2)g/l。
82.具体的，非共轭聚合物探针水溶液的浓度为1.625
×
10
‑2g/l。
83.在本实施例中，具体包括以下步骤：配制浓度为0、0.1、0.5、1、2、3、5、7.5、10、15、20、25、30、40、50、100μm的汞离子溶液；取多份250μl实施例1制备得到的非共轭聚合物探针加入到750μl水中，即双信号比率型传感器溶液于2ml塑料离心管中，从低浓度至高浓度依次加入汞离子及超纯水，终体积为1ml，在室温下涡旋反应90秒，利用荧光光谱仪同时测定荧光光谱和散射光谱，激发波长设置为450nm，狭缝宽度为5nm。荧光发射峰位于505nm，散射峰位于900nm。
84.所述待测样品的ph范围为6.5～7.5，这个ph范围内的检测效果最佳，若超出该范围，灵敏度会有所降低，反应时间为1～2分钟，反应温度为20～30℃。
85.双信号比率传感器检测汞离子的性能如图4所示，图4a为荧光分光光谱仪检测的荧光光谱和散射光谱。图4b上排实物图采用紫外灯(365nm)观测双信号比率传感器检测汞离子的荧光效果，图4b下排实物图采用普通激光笔(红光650～660nm)观测双信号比率传感器检测汞离子的散射效果。
86.图4b上排图看出当加入50μm汞离子后，肉眼观察发现非共轭聚合物探针的荧光有一定程度淬灭，荧光淬灭不明显，但此时，荧光光谱仪(即图4a)可测量出在波长505nm处的荧光强度的降低，而在波长900nm处的散射强度显著增强。
87.本实施例还设置非共轭聚合物探针 edta 汞离子溶液作为对照组，如图4a所示，当添加edta后，edta与汞离子之间的强螯合作用导致非共轭聚合物探针对汞离子不敏感。侧面说明探针的荧光散射变化是汞离子引起的。相应地，随着汞离子浓度的增加，非共轭聚合物探针的荧光亮度降低，而散射强度逐渐增加。
88.非共轭聚合物探针与不同浓度的汞离子的混合溶液的荧光光谱和散射光谱图可参阅附图5a，在0
‑
50μm范围内，随着汞离子浓度的增加，非共轭聚合物探针的荧光强度降低，散射强度增加，汞离子能够有效淬灭非共轭聚合物探针的荧光发射峰，而显著增强非共轭聚合物探针的散射强度。
89.利用散射
‑
荧光的比值和汞离子浓度之间的关系，实现对测试样品中汞离子的检测。记录荧光强度fl和散射强度sos，以sos/fl的比值为纵坐标，以汞离子浓度为横坐标，绘制标准曲线，见图5b；
90.从图5b看出该双信号比率传感器对汞离子的检测线性范围为0
‑
50μm，最低检测限
lod＝3σ/k(n＝3)σ是空白组标准偏差，k是线性回归方程的斜率，计算得最低检测限为27nm。
91.在本实施例中，为了研究该比率传感器对重金属汞的特异性，本发明选择重金属离子cu
2
、na

、k

、mg
2
、ca
2
、al
3
、mn
2
、zn
2
、fe
3
、cr
3
、cd
2
、ba
2
、co
2
、ni
2
作为潜在干扰物，它们的终浓度设定为20μm，所有实验重复三次进行，与检测hg
2
的步骤相同。
92.结果如附图7所示，与空白对照(即没有目标物的非共轭聚合物溶液)相比，空白对照散射与荧光强度比值较低，以cu
2
、na

、k

、mg
2
、ca
2
、al
3
、mn
2
、zn
2
、fe
3
、cr
3
、cd
2
、ba
2
、co
2
、ni
2
作为目标物的溶液sos/fl的比值变化很小，而加入汞离子的sos/fl的比值变化显著高于其他重金属离子。该结果说明本发明建立的双信号比率传感器具有较好的特异性。
93.实施例4：检测汞离子的双信号比率传感器的应用
94.本实施例以饮用水、鱼和虾作为实际样品，在饮用水、鱼肉和虾肉样品中分别加入浓度为0.5、15和30μm的汞离子作为加标样品，充分混合后，加标样品在4℃保持过夜。
95.对于三种样品，将1ml加标饮用水或1g加标鱼肉、虾肉置于消解内罐中，加入5ml硝酸浸泡过夜。盖好内盖，旋紧不锈钢外套，放入恒温干燥箱，140℃～160℃保持4h～5h，在箱内自然冷却至室温，然后缓慢旋松不锈钢外套，将消解内罐取出，用少量水冲洗内盖，放在超声水浴箱中，超声脱气2min～5min，赶去棕色气体。将消化液转移25ml容量瓶中定容至刻度。按照实施例3所述，将样品前处理液与非共轭聚合物探针混合，在室温下涡旋反应90秒，利用荧光光谱仪同时测定荧光光谱和散射光谱，记录荧光强度和散射强度。
96.检测结果见附表1，饮用水、鱼肉和虾肉的加标回收率均在90％～120％之间，说明样品基质对该比率传感器的分析能力没有影响或影响不大。因此，由于优异的稳定性，特异性和适用性，开发的荧光
‑
散射比率传感器可以很好地满足在实际样品中快速检测重金属汞残留的需要。
97.表1双信号比率型传感器检测饮用水、鱼肉和虾肉的加标回收率
98.